Einsteins Relativitätstheorie erklärt fundamentale Eigenschaften von Gold
29. Oktober 2015
Foto: Matthias W. Hussong, Organisch-Chemisches Institut
Einige fundamentale Eigenschaften der Münzmetall-Elemente Gold, Silber und Kupfer, wie chemisches Verhalten oder Farben, sind bereits in ihren Atomen angelegt. Dabei lassen sich die einzigartigen Eigenschaften von Gold zum großen Teil mit der Relativitätstheorie von Albert Einstein erklären. Das konnten Chemiker der Universität Heidelberg mit ihren Untersuchungen an sogenannten Gold-, Silber- und Kupfercarbenen zeigen. Für den Vergleich der drei Elemente haben sie jeweils nur einzelne der Münzmetall-Atome in den Blick genommen. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeiten unter der Leitung von Prof. Dr. Bernd Straub wurden in der deutschsprachigen und der internationalen Ausgabe der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ veröffentlicht.
Die Eigenschaften von chemischen Elementen wiederholen sich periodisch, da verwandte Elemente die gleiche Zahl relevanter Außenelektronen besitzen und sich nur durch zusätzliche innere Elektronenschalen unterscheiden. Kupfer, Silber und Gold befinden sich in einer solchen Verwandtschaftsbeziehung. „Der Vergleich von Kupfermetall, Silbermetall und Goldmetall mit ihren extrem vielen benachbarten Metallatomen war und ist kein Problem, da die reinen Metalle seit Jahrtausenden zugänglich sind“, erläutert Prof. Straub, der am Organisch-Chemischen Institut lehrt und forscht. Die Unterschiede konnten der Chemiker und sein Team jedoch nun an jeweils einzelnen Atomen festmachen – in einem ansonsten identischen Molekül, bei dem die Metallatome sehr stark über zwei Bindungen mit einem Kohlenstoffatom wechselwirken.
Die Untersuchungen der Heidelberger Wissenschaftler gingen von Goldcarbenen aus, mit einer üblicherweise instabilen, weil hochreaktiven Doppelbindung zwischen Kohlenstoff und Gold. Prof. Straub und sein Team haben jedoch mit einem chemischen „Trick“ einen Weg gefunden, um einen stabilen Goldcarben-Komplex für die Forschung herzustellen und zu isolieren. In weiteren Schritten ist es ihnen gelungen, auch ein Kupfercarben und ein Silbercarben mit sonst identischer Struktur herzustellen und zu charakterisieren, auch wenn beide Verbindungen sehr viel empfindlicher und „labiler“ sind als das Goldcarben. Dennoch boten sie den Wissenschaftlern die Möglichkeit, die drei Elemente der Münzmetall-Gruppe Kupfer, Silber und Gold auf der Größenebene eines Moleküls im Detail zu vergleichen. Dabei konnte mit der Kristallisation des besonders instabilen Silbercarbens über eine Röntgenstrukturanalyse die Bindungslänge zwischen Silber und dem doppelt gebundenen Kohlenstoff bestimmt werden, um diese dann mit der kürzeren und stärkeren Bindung zwischen Gold und Kohlenstoff zu vergleichen.
Aus ihren Beobachtungen ziehen die Forscher den Schluss, dass die Eigenschaften von Gold entscheidend durch sogenannte relativistische Effekte bestimmt werden. Diese Effekte kommen dann zum Tragen, wenn sich ein Phänomen in der Physik nicht mehr „klassisch“ erklären lässt. In der Chemie gilt dies für die Eigenschaften bestimmter Elemente. Die relativistischen Effekte gehen auf Albert Einsteins Relativitätstheorie mit der bekannten Formel E = mc2 zurück. Damit hat Einstein den Zusammenhang zwischen Energie, Masse und Lichtgeschwindigkeit hergestellt. „Bei Gold sind die vorausgesagten relativistischen Effekte von allen stabilen Elementen am stärksten ausgeprägt“, so Prof. Straub. Ein bekanntes Beispiel dafür ist der auffällige Farbunterschied von gelbem Goldmetall und farblosem Silbermetall.
Wie der Wissenschaftler erläutert, erreichen negativ geladene Elektronen von Gold durch die Anziehung des 79-fach positiv geladenen Gold-Atomkerns so hohe Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit (c), dass zusätzliche Bewegungsenergie (E) nicht mehr zu einer wesentlichen Geschwindigkeitssteigerung führen kann. Stattdessen nehmen die betreffenden Elektronen an Masse (m) zu. Dieser Effekt wirkt sich bis in die äußerste Elektronenschale aus, die aktiv und damit für chemisches Verhalten, Farben und Eigenschaften der Münzmetalle verantwortlich ist. Bei Gold führt dies dazu, dass seine Bindungen stärker werden. Damit sind die Verbindungen von Gold besser in der Lage, beispielsweise Dreifachbindungen zwischen zwei Kohlenstoffatomen zu aktivieren. Der Vergleich der Münzmetall-Elemente Gold, Silber und Kupfer mit dem jeweils doppelt gebundenen Kohlenstoff hat dabei gezeigt, dass das atomare Verhalten von Gold eher dem des Kupfers und weniger dem des Silber ähnelt, obwohl Silber der direkte Nachbar im Periodensystem ist.
Die Forschungserkenntnisse der Heidelberger Chemiker bestätigen, dass Einsteins Relativitätstheorie nicht nur in der Astronomie und Raumfahrt mit ihren sehr großen Entfernungen eine entscheidende Rolle spielt, sondern auch in der Welt der Elektronen, Atome und Moleküle, wie Prof. Straub deutlich macht.
Originalpublikation:
M.W. Hussong, W.T. Hoffmeister, F. Rominger, B.F. Straub: Kupfer- und Silber-Carbenkomplexe ohne Heteroatom-Stabilisierung: Struktur, Spektroskopie und relativistische Effekte. Angewandte Chemie 2015, 127, 10472-10476, doi: 10.1002/ange.201504117
